پیاده‌سازی سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) در متلب

مقدمه

سیستم موقعیت یاب جهانی(GPS)یک وسیله موقعیت یابی دقیق می باشد که درسال 1973 توسط بخش دفاعی ایالت متحده گسترش یافت . دستگاهGPS در اصل برای کمک به سربازان و خودروهای نظامی ، هواپیماها و کشتی ها جهت تعیین دقیق موقعیت آنها در سراسر جهان طراحی شده بود ولی در دهه 1980 ایالت متحده آن را برای استفاده غیرنظامی در دسترس قرار داد.

سیستم GPS در هرنوع وضعیت آب و هوایی درسرتاسر جهان و بطور 24ساعت درطول شبانه روز قابل استفاده می باشد و هیچ گونه بهایی جهت نصب و هزینه اشتراک این سیستم اخذ نمی شود . امروزه ، استفاده از GPS هم در زمینه تجاری و هم درزمینه علمی گسترش یافته است.در زمینه تجاری،بعنوان وسیله موقعیت یابی در هواپیماها، خودروها ،کشتی ها و تقریباً تمام فعالیتهای تفریحی خارج از منزل مانند پیاده روی ،ماهیگیری و قایق سواری مورد استفاده قرار می گیرد . دستگاه GPSدرزمینه علمی نقش بسیار مهمی رادر علم زمین شناسی ایفامی کند.هواشناسان برای پیش بینی وضعیت آب وهوا، موقعیت اقلیمی جهان و زمین شناسان بعنوان یک روش بسیار دقیق نقشه برداری و مطالعات درزمینه زمین لرزه برای اندازه گیری حرکات تکتونیکی درطول مدت وبین زمین لرزه ها استفاده می نمایند.

چگونگی عملکرد سیستمGPS

ماهوارهGPS در طول روز 2 بار در مدار بسیار دقیقی زمین را دور می زند و اطلاعات سیگنال را به زمین ارسال می نماید. سیستم موقعیت یاب جهانی از 3 قسمت مجزا تشکیل شده است.

قسمت اول این سیستماز 24 ماهواره تشکیل شده که در فاصله 20,000 کیلومتری از سطح زمین در یک مدار مدور 24 ساعته درحال چرخش می باشند .این بدان معناست که برای هر ماهواره مدت زمان 12 ساعت لازم است تا مسیر دایره ای اطراف زمین را یک بار بطور کامل دور بزند.به منظور اطمینان یافتن ازاینکه این ماهواره هااز هر نقطه از سطح زمین قابل شناسایی باشند ،ماهواره ها به6 گروه 4 تایی تقسیم شده اند . به هر گروه یک روش خاص جهت پیروی اختصاص داده شده است که این سیستم ، 6حلقه مدور که کاملاً در اطراف زمین قرار گرفته اند ، بوجود آورده است.

این ماهواره ها ، سیگنال های رادیویی (شامل ا طلاعاتی درباره ماهواره) را به زمین می فرستند که با استفاده از گیرنده های زمینیGPS، این سیگنال ها قابل شناسایی بوده و جهت تعیین موقعیت گیرنده (طول، عرض و ارتفاع جغرافیایی ) استفاده می شود .سیگنال های رادیویی دردو فرکانسL-bandمختلف فرستاده می شوند کهL-bandبه طیف وسیعی از فرکانس ها بین392 تا 1550مگاهرتز مربوط می شود و درون هریک از سیگنال ها یک دنباله رمزی فرستاده شده است. بامقایسه دنباله دریافت شده با دنباله اصلی ، دانشمندان می توانندمدت زمان رسیدن هر سیگنال از ماهواره ای به زمین را تعیین نمایند. تأخیر در عملکردسیگنال های دریافتی ،در یادگیری در مورد یونوسفر و تروپوسفر، دو لایه جوی اطراف زمین مفیدمی باشد . همچنین سیگنال سوم که شامل داد ه هایی درموردموقعیت و وضعیت ماهواره می باشد ، از ماهواره به گیرنده ها فرستاده می شود.

قسمت دومGPSایستگاه زمینی می باشدکه از یک گیرنده و آنتن تشکیل شده و ماننددیگر وسایل ارتباطی ، اطلاعات را به مراکز اطلاعاتی منتقل می نماید . عملکرد آنتن هدایتیدر هر قسمت شبیه عملکرد آنتن رادیو ماشین می باشدکه سیگنال های ماهواره ای را دریافت وبعنوان جریان های الکتریکی به گیرنده های آن قسمت منتقل می کند.سپس گیرنده سیگنالها رابه کانالهای مختلفی که جهت ماهواره ای خاص وبرای مدت زمان مشخصی اختصاص یافته اند،مجزامی نماید. هنگامیکه سیگنال هاجدا شدندگیرنده هامی توانند آنها رارمزگشایی نموده وبه فرکانسهای جداگانه تقسیم بندی نمایند. با استفاده ازاین اطلاعات ، گیرنده یک موقعیت کلی برای آنتن (طول ،عرض و ارتفاع جغرافیایی ) بوجود می آورد. سپس داده های جمع آوری شده توسط گیرنده ، مجدداً بوسیله دانشمندان جهت تعیین امور مختلف (شامل در نظر گرفتن یک موقعیت نصب دیگر برای آنتن با دقت عمل بیشتر) ،پردازش می شوند.

قسمت سوم سیستم، مرکز داده ها است که نقش آن دو برابر می باشد و هردو ایستگاه هایGPS جهانی را کنترل وحفاظت نموده و ازسیستم های کامپیوتری خودکار برای بازیابی و تجزیه و تحلیل کردن داده ها ازگیرنده های ایستگاه ها استفاده می کند. پس از پردازش ، داده ها همراه با داده های خام اولیه، دردسترس دانشمندان در سراسر جهان، برای استفاده در انواع برنامه های کاربردی قرارمی گیرد . ازآنجا که قسمتهایGPS تحت نظارت نهادهای مختلفی در سراسر جهان ساخته شده ، مراکز داده های بسیاری در نقاط مختلف قرار گرفته است.

سیستم ماهواره ایGPS

بخش فضاییGPSاز 24 ماهواره تشکیل شده است که در حدود  12,000مایل از سطح زمین در حال گردش هستند. این ماهواره ها دائماً در حال حرکت بوده و در کمتر از 24 ساعت دو مدار کامل می سازند و با سرعت در حدود6,000کیلومتر در ساعت حرکت می کنند.

منبع تأمین کننده انرژی ماهواره هایGPSانرژی خورشیدی می باشدکهدرصورت بروزخورشید گرفتگی جزئی (هنگامی که هیچ انرژی خورشیدی وجود ندارد) از پردازنده باتری های پشتیبان استفاده می نماید . بر روی هرماهواره بوستر راکت های کوچک، آنها را درمسیر صحیح حرکت قرار می دهد.

برخی حقایق جالب دیگر در مورد ماهواره هایGPS

( وزارت دفاع ایالت متحده همچنین اصطلاحNAVSTARرا برایGPSاعلام کرد)

         

  • اولین ماهوارهGPSدر سال 1970 به فضا پرتاب شد.
  • صورت فلکی کامل متشکل از 24 ماهواره در سال 1994 به دست آمد.
  • عمر مفید هر ماهواره 10 سال می باشد وپس از آن کم کم از مدار خارج می شوند. برای جایگزینی ، ماهواره های جدید ساخته شده بطور دائم به فضا فرستاده می شوند .
  • وزن یک ماهوارهGPSدر حدود2,000پوند و در حدود 17 فوت با گستره پانل خورشیدی فاصله دارد.
  • قدرت فرستنده تنها50 وات یا کمتر می باشد.

همه ماجرا از زمانی شروع شد که موشکهای اتحاد جماهیر شوروی سوسیالیستی در کوبا لو رفت و چنان ولوله ای سراسر امریکا را فرا گرفت که ارتش ایالات متحده آمریکا تصمیم گرفت تا سامانه ای را طراحی کند تا بوسیله آن مختصات و جزئیات نقطه به نقطه کره خاکی را در اختیار داشته باشد. لذا این سامانه به سفارش وزارت دفاع ایالات متحده با نام (Global Positioning System) و یا همان GPS معروف تولید و در مدار قرار گرفت.


این سیستم در ابتدا فقط در انحصار ارتش بود اما در سال 1980 استفاده همگانی از آن آزاد و آغاز شد. خدمات این مجموعه در هر شرایط آب و هوایی و در هر نقطه از کره زمین در تمام ساعات شبانه روز در دسترس است. پدید آورندگان این سیستم هیچ حق اشتراکی برای کاربران در نظر نگرفته اند و استفاده از آن کاملا رایگان است.


در ذیل به برخی مشخصات جالب این سامانه اشاره می کنم:

  • اولین ماهواره GPS در سال 1978 در مدار زمین قرار گرفت.
  • در سال 1994 شبکه 24 عددی NAVSTAR تکمیل شد.
  • عمر هر ماهواره حدودا 10 سال است که پس از آن جایگزین می شود.
  • هرماهواره حدود 2000پوند وزن دارد و درازای باطری خورشیدی آن 5.5متر است.
  • انرژی مصرفی هر ماهواره، کمتر از 50وات می باشد.

در ایران نیز امسال برای اولین بار نیروی انتظامی خودروهای عمومی مسیر تهران مشهد را مکلف به استفاده از GPS کرده است تا علاوه بر کنترل سرعت و کنترل مسیر حرکت ، این سیستم را در ایران مورد آزمایش قرار دهد.



سیستم ردیاب ماهواره ای GPS


اگر شما جزء افرادی هستید که مجبورید دائما در سفر باشید یا به مدت طولانی در شهرها و یا اطراف روستاها رانندگی کنید و اغلب بخاطر یافتن مسیر دچار مشکل میشوید، دستگاه ردیاب یا موقعیت یاب ماهواره ای " GPS " ، ابزاریست که می تواند برای شما فوق العاده مفید و حیرت انگیز باشد.

GPS"" یک سیستم ردیاب و موقعیت یاب است که با استفاده از ماهواره ها کار می کند، بعبارت دیگر مسیر یا مکان مورد نظر را با استفاده از اطلاعات آنلاین "online" ارسالی از ماهواره ها مشخص می کند و نیز توانایی شناسایی موقعیت را در هر لحظه در روی زمین یا در محدوده مداری دارد.


این دستگاه برای اولین بار در جهان توسط ایالات متحده آمریکا بمنظور مسائل استراتژیک و دفاعی مورد استفاده قرار گرفت، بعدها این سیستم در کشورهای اروپایی با نام گالیله "Galileo" و در کشور فدراسیون روسیه با نام گلونس "Glonass" مورد بهره برداری قرار گرفت، در ایالات متحده آمریکا هر شهروند می تواند بطور رایگان از این سیستم استفاده کند. البته شایان ذکر است که البته مدلهای اروپایی و روسی هرگز توانایی رقابت با "GPS" را ندارند ، هرچند روسیه بدلیل رقابت شدید خود با آمریکا تلاشهای زیادی را برای توسعه سیستم خود انجام داده است اما باز هم کاستی های فراوانی نسبت به مدل آمریکایی دارد.



سیستم ردیاب ماهواره ای از سه قسمت تشکیل یافته است:

  • فضا (SPACE) : این قسمت که به بخش فضایی معروف است در خارج از جو زمین فعال است و توسط 24 ماهواره فعال همه کره زمین را جاروب می کند.
  • کنترل (CONTROL) : بخش کنترل سیستم، ردیاب ماهواره ای شامل همه ایستگاههای مستقر در روی زمین است ، این ایستگاههای کنترل زمینی در همه جای زمین پراکنده هستند، این ایستگاهها در مسیر حرکت ماهواره های سامانه GPS ساخته شده اند و با ساعت اتمی "Atomic Clock" ماهواره ها هماهنگ هستند ، ایستگاههای زمینی ارتفاع زمین از سطح دریا را با ماهواره ها مخابره می کنند.
  • کاربران (USERS) : این بخش که قسمت اصلی در بحث مورد نظر ماست، شامل همه شهروندان و قسمتهای نظامی می شود که خواهان استفاده از تکنولوژی GPS هستند.



24
ماهواره ، سیستم GPS را پشتیبانی می کنند ، این ماهواره ها "Satellite" در 6مدار حول کره زمین در حال چرخش هستند ،۲۴ ماهواره ی GPS در مدارهایی بفاصله ۳۶۶۰۰ کیلومتری از سطح دریا گردش می کنند. هر ماهواره دقیقا طی ۱۲ ساعت با سرعت ۱۱ هزار کیلومتر بر ساعت یک دور کامل بدور زمین می گردد. این ماهواره ها نیروی خود را از خورشید تامین می کنند ولی باتری هایی نیز برای زمانهای خورشید گرفتگی و یا مواقعی که در سایه ی زمین حرکت می کنند بهمراه دارند. راکتهای کوچکی نیز ماهواره ها را در مسیر درست نگاه می دارند. به این ماهواره ها NAVSTAR نیز گفته می شود. هر ماهواره یک ساعت اتمی دقیق به همراه دارد که اطلاعات را بطور دقیق وپیوسته به زمین ارسال می کنند. مضافا اینکه ماهواره ها می توانند، پیام های الکترونیکی "Electronic Massage" را نیز به زمین ارسال می کنند ، این پیام های الکترونیکی می تواند شامل مکان ماهواره در مدار یا زمان ساعت اتمی و یا اطلاعات دقیق تری درباره مکان مورد نظر و بسیاری موارد دیگر باشد.


برای کابران معمولی ارسال اطلاعات در زمان بسیار دقیق ضروری نیست اما وجود این امکان خود نعمتی است. ماهواره های مختلف هرکدام با نظم و ترتیب خاصی کار می کنند و هرگز اجازه نمی دهند که در ارسال اطلاعات به کاربران اخلال یا تداخلی بوجود آید، ماهواره ها بصورت هوشمند نزدیکترین را به مکان مورد نظر انتخاب کرده و اطلاعات از طریق آن ماهواره بدون کم و کاست فرستاده می شود. همانطوری که ذکر شد سیستم GPS اولین بار برای ارتش ایالات متحده آمریکا جهت کاربردهای نظامی ساخته شد تا بتوانند براحتی اهداف خود را در سراسر جهان نشانه گیری کرده و موشکهای خانمان برانداز خود را دقیق و بدون خطا روی هدف قفل نمایند، کاربرد دیگر این سامانه برای ارتش ایالات متحده آمریکا شناسایی موشکهای هوشمند بالستیک ، انبارهای مهمات زیرزمینی و مهمتر از همه شناسایی سلاحهای هسته ای در زرادخانه ها بود. اما با گذشت زمان بدلیل محسنات فوق العاده این سامانه، ارتش تصمیم گرفت تا بصورت محدود و استاندارد این سامانه را در اختیار عموم قرار دهد.


امروزه همه شهروندان می توانند به سیستم GPS دسترسی داشته باشند و از اطلاعات آن بهره مند شوند. بسیاری از کشورها که برای مردم خود شرایط رفاهی مطلوبی را ایجاد کرده اند ، سیستم استاندارد GPS را در شهرهای خود بطور رایگان راه اندازی کرده اند.

بخشهای ترابری و حمل و نقل، هواپیماها، کشتی ها و انواع خودروهای سواری جزو کاربران پروپاقرص سیستم ردیاب جهانی GPS هستند ؛ همه کاربران من جمله خلبانان هواپیماهای بدون موتور ، معدن کاران و همه کسانی که در راه و مسیر هستند می توانند براحتی و با پرداخت هزینه ناچیز 100$ الی 200$ از این سامانه استفاده کنند.

گیرنده های GPS می توانند پهنای زمین، طول زمین ، ارتفاع و پستی و بلندی و مساحت زمین مورد نظر را برای کاربر مشخص کنند.اکنون مهندسان در حال تلاشند تا با توسعه این سیستم علاوه بر امکانات فوق ، امکان دیدن را نیز از این طریق فراهم سازند.

سیستم GPS هیجان و سادگی را هم زمان برای مردم به ارمغان آورده است، بر خلاف پیچیدگی زیاد سیستم ، استفاده از آن بسیار ساده و ابتدایی است، با این وجود، دیگر شما بهانه ای برای گم شدن و گم کردن نخواهید داشت.

شبیه سازی سیستم ماهواره ای GPS Navigation

هدف نهایی مشخص کردن مسیر ماهواره به گونه است که تمام قسمت های کره زمین تحت پوشش باقی بمانند و برای این کار از توابی تحت عنوان خطا های GPS استفاده شده است که شامل:

1-شرایط اتمسفری یا Atmospheric Conditions : زیرا سرعت امواج GPS در فضا با سرعت این امواج در یونوسفر و تروپوسفر متفاوت است و بنابراین شرایط جوی و میزان یونیزه بودن آن می تواند سیستم را تحت تاثیر قرار دهد.

2-موقعیت مکانی یا به طور دقیق Ephemeris Errors/Clock Drift/Measurement Noise: مربوط به موقعیت ماهواره در مدار می باشد.

3- خطای Multipath که مربوط به دریافت و پاسخ سیگنال از آنت های زمینی می باشد و از اهمیت زیادی برخوردار است.

فلوچارت کلی برنامه به صورت زیر است:

تمام مراحل با برنامه متلب انجام شده است و برنامه اصلی main.m است که در ضمن آن از زیر تابع های مجزا استفاده می شود:

هر زیر تابع برای هر یک از بلوک های نشان دهده شده در دیاگرام فوق لحاظ شده است:

 

با اجرای برنامه شکل نهایی بدست می آید:

 

مطالب مشابه

قدرت متلب

هسته متلب برای سرعت و کارایی بالا به زبان سی نوشته

متلب چیست؟

نرم افزار  MATLAB برنامه كامپيوتري است كه براي كسا

استفاده از راهنمای متلب

در صورتي كه بخواهيد در مورد دستور و يا تابع خاصي ا

عمليات ابتدايي در متلب

تعريف كردن آرايه ها و عمليات جبري روي آنها چهار نو

شبكه هاي عصبي در Matlab

موضوع کتاب شبکه های عصبینام نویسنده مصطفی کیا

کتاب آموزش شبیه سازی و مدل ساز

  مشخصات: مولف: دکتر نیکوبین (استاد دانشکده مکان

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید